鄭本昌

（中國運載火箭技術研究院研究發(fā)展部 北京市 100076）

1 引言

半導體激光器由于其體積小、效率高、壽命長等優(yōu)點，在激光光通訊、光存儲、激光高速印刷、光信息處理、光傳感等諸多方面得到廣泛而至關重要的應用[1-3]。但從物理機制上講，溫度變化影響了半導體激光器的這一美妙應用，由于激活介質的能帶中等效費米能級隨溫度變化，使得增益曲線漂移從而造成頻率漂移，甚至導致跳模，另外，溫度變化引起激光器腔長變化，也將導致頻率變化[4-5]。由此可見，控制溫度使其穩(wěn)定是一項重要而且必不可少的任務。

針對半導體激光器控溫，國內外進行了大量的研究。PID (Proportional Integral Derivative)控制作為控制工程中技術成熟，應用廣泛的一種控制策略，能夠在一定程度上合理的解決動態(tài)穩(wěn)定性和靜態(tài)增益之間的矛盾，因此吸引了眾多研究人員的興趣。賀春貴[6]等人分析了PI 參數對溫度控制穩(wěn)定性的影響及溫度控制的短期穩(wěn)定性，盧燕[7]等采用DSP 數字信號處理芯片的方式實現(xiàn)了±0.1°控溫精度的溫控系統(tǒng)，鮑健[8]等人實現(xiàn)了±0.05°的高精度二極管激光溫度控制器。

本文針對某激光器控溫精度±0.1°控溫需求，設計了基于PID自動控制的高精度溫控電路，有機結合模擬控制與數字控制，利用數字電路的大范圍和高精度和模擬電路的高穩(wěn)定性，實現(xiàn)高精度控溫。

2 總體方案設計

根據某半導體激光器總體要求指標，單一的模擬電路和數字電路均難以實現(xiàn)?；赑ID 自動控制的模擬電路控溫精度高，但控溫范圍小的缺點無法避免，數字電路控溫范圍大，但穩(wěn)定性又略低，電路實現(xiàn)和程序均相對復雜。本文設計以模擬系統(tǒng)的PID 自動控制作為主要的控溫方法和解決途徑，再配合數字電路以得到穩(wěn)定性好，控溫范圍大，精度高，響應速度快的控溫電路。

總體設計思路如圖1 所示，以模擬電路做PID 自動溫控，輸出較小的電壓V1保證控溫精度和穩(wěn)定性；同時以數字電路輔助提供偏差電壓V2，保證有足夠的電流輸出滿足控高溫和低溫時需求，兩者通過加法電路輸出給后續(xù)并聯(lián)反饋電路和功率放大電路，最后實現(xiàn)控溫電流的輸出。

3 各部分電路系統(tǒng)設計

圖1：電路設計方框圖

圖2：基準電壓采樣電路

圖3：差分比較電路

3.1 基準電壓采樣電路

考慮到控溫電路要求控到0.01mv，所以選用了穩(wěn)定度達到10-6的LM399，其溫度適應范圍為0～70 度，溫度系數為10-6，具有穩(wěn)定度高和紋波小的特點?；鶞孰妷翰蓸与娐啡鐖D2 所示。R1 的阻值由LM399 的齊納二極管ZD 中電流IR 所決定。通過查找LM399特性，當IR 為0.5～10mA 時，其輸出的基準電壓為6.95V，變化范圍為6.6～7.3V。這里取最初通過齊納二極管的啟動電流為5mV, 以利于電壓的穩(wěn)定。

圖4：PID 自動控制電路

圖5：反饋調節(jié)電路

圖6：功率放大電路

圖7：數字偏壓與控溫關系曲線

表1：用齊格勒—尼柯爾斯整定規(guī)則2 確定PID 參數

電路中R1 的阻值為1.5K。

3.2 差分比較電路

差分電路將實際電阻兩端電壓與代表預置溫度的電阻兩端電壓相比較并相減，隨后進行放大，經過分壓后得到偏差信號，輸入PID 中進行相應控制。

其中差分的放大倍數=R10/R6=R8/R7=25.5。所以

其中R11,R6,R7,R8,R10 的取值對整個電路的效果是有一定的影響的，前級放大相當于后面的比例控制。所以選取過高，使得電路增益過高，電路的穩(wěn)定性降低，容易產生震蕩。如選取過低，無法更好的區(qū)別Vreal 和Vset, 影響控溫的精度，所以R11 選用了滑動變阻器，可以進行微調。

電路設計如圖3 所示。

3.3 PID自動控制電路

自動控制電路如圖4 所示，電路的傳遞函數為：

如表1 所示，采用齊格勒—尼柯爾斯整定規(guī)則調整PID 參數，齊格勒—尼柯爾斯整定規(guī)則被廣泛應用于過程控制系統(tǒng)中，能夠[9]在被控對象的動態(tài)特性不能精確知道的情況下，實現(xiàn)PID 控制器參數的調整。本文中采用的是齊格勒—尼柯爾斯整定規(guī)則第二種形式，首先設TI=∞,TD=0,控制器僅為比例控制作用，增加KP值，從0 到臨界值KCR，系統(tǒng)輸出第一次出現(xiàn)固定的震蕩。如果KP取任何值，系統(tǒng)輸出都沒有明顯的固定震蕩。這種方法就不能用。臨界增益KCR和相應的周期TCR由實驗確定。

先用小電阻將C2,C3 短路，將R14 調至最大值，然后逐步減小R14,同時用示波器監(jiān)視c(t),當R14 調到某一位置時，觀察到c(t)出現(xiàn)震蕩，記錄震蕩周期TCR，通過調整R14 使得KP=0.6 KCR,TD=R16*C2=0.125TCRTI=R18*C3=0.5TCRR16=910K, R18=2.2M, TCR =11s, 通過計算求得C2=1.51uF, c3=2.50uF。

3.4 反饋調節(jié)電路

反饋調節(jié)電路如圖5 所示，提供了閉環(huán)系統(tǒng)中的并聯(lián)反饋回路，它一方面將電壓反饋形成了局部的反饋，保證后級調節(jié)的穩(wěn)定性，更為重要的是它改善了系統(tǒng)總體傳遞函數，增加了一級積分電路，使控溫系統(tǒng)由Ⅰ型變?yōu)榱刷蛐?，使系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能得以改善，同時系統(tǒng)由不穩(wěn)定變?yōu)榉€(wěn)定，同時增加了靜態(tài)增益，但是，系統(tǒng)的快速性降低，動態(tài)性能變差了。

圖8：模擬電路的PCB 板3D 俯視圖

圖9：數字電路的PCB 板3D 俯視圖

圖10：熱敏電阻兩端電壓隨時間的變化曲線

3.5 功率放大電路

功率放大電路如圖6 所示，由于達林頓管具有功率放大倍數高，效率高，基極電流小的特點，故采用它進行功率放大。對致冷硅進行致冷和加熱，有兩路組成。當前級輸出正電壓時，T1 管導通，T2 管截止，此時電流通過Ri2 流入致冷硅，對熱沉進行加熱。相反，當前級輸出負電壓時，T2 管導通，T1 管截止，此時電流通過Ri4流出致冷硅，對熱沉進行致冷。

3.6 數字偏壓電路

控高溫和低溫時需要很高的電壓來保證后級的正常工作，提供足夠的電流給致冷硅，以消除外界對激光器的影響，達到系統(tǒng)的熱平衡，這就需要數字電路的輔助設計，為PID 的后級提供相應的偏差電壓，使模擬部分始終只需要提供很小的電壓，而這部分很小的電壓正是電路高穩(wěn)定性和高精度的保證，離散的數字偏差電壓保證了很大的控溫范圍。其原理如圖7 所示。

4 電路實現(xiàn)與測試結果

4.1 電路板制作

考慮到功率放大電路中的達林頓管和大功率電阻都需要散熱，所以均固定在一塊散熱片上，所以一共制做了兩塊電路板，如圖8-9所示。

4.2 測試結果

為測試電路溫控性能，在某半導體激光器上搭建了測試平臺。如圖10 所示為控溫電路長時間的采樣結果，經過換算，本溫控電路的穩(wěn)定性小于0.001%，響應速度小于兩分鐘，準確性小于0.02℃，控溫范圍達到0-50℃。

5 結束語

以PID 自動控制模擬電路為核心，設計了一種面向半導體激光器控溫應用的高精度溫控電路，并對電路進行了實驗測試。測試結果表明，本電路可以滿足總體的控溫需求，控制性能優(yōu)于傳統(tǒng)的半導體溫控方式，具有很好的實用價值和廣闊的應用前景。